ゲルマニウム中赤外光回路を用いたオンチップ分子センシングの基盤構築

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02198
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 竹中 充 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20451792)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 光集積回路 / 中赤外光 / ゲルマニウム / センシング

研究実績の概要

2021年度に作製プロセスを確立した低残留キャリア濃度n型Ge-on-insulator（GeOI）基板を用いて、センシングに用いる長尺スパイラル導波路を作製した。導波路の低損失化に成功した結果、スパイラル導波路においても良好な導波を確認した。
また欠陥準位を介したGe受光器の研究においては、光励起と熱励起過程を考慮した物理モデルを考察することで、波長2μmにおいては、Siよりも大きな感度が得られることを理論的に明らかにした。また、実際に作製した受光器において、雪崩増幅を用いた高感度化を実証するとともに、1 GHzを越える動作を実証した。
またグラフェンを透明電極として用いた光変調器の研究も進めた。グラフェンをハイドープすることで光吸収を抑制をしつつ電気抵抗を減らすことができる。この特徴を生かし、光導波路上にゲート絶縁膜を堆積し、グラフェン透明電極を積層したMOS型変調器を新たに提唱した。ゲート絶縁膜を100 nm程度にすることで、グラフェン電極による光吸収を抑制しつつ、光変調が可能であることを明らかにした。これにより、高速性と低損失化が両立可能であることを明らかにした。
相変化材料を用いた光位相シフタの研究も進めた。相変化材料はアモルファスと結晶状態で大きく光学定数が異なることから、光変調材料として期待されている。一方、従来の相変化材料は光吸収が大きく光位相変調に用いることができなかった。我々は、相変化材料を波長2.43μmの中赤外で用いることで低損失化が可能であることを実験的に明らかにし、極めて損失が小さい光位相シフタの動作実証に初めて成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Proposal of Low-Loss Non-Volatile Mid-Infrared Optical Phase Shifter Based on Ge₂Sb₂Te₃S₂ (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyatake Yuto、Makino Kotaro、Tominaga Junji、Miyata Noriyuki、Nakano Takashi、Okano Makoto、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Electron Devices 巻: 70 ページ: 2106～2112
  • DOI: 10.1109/TED.2023.3235865
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient optical phase modulator based on an III?V metal-oxide-semiconductor structure with a doped graphene transparent electrode (2022)
  • 著者名/発表者名: Piyapatarakul Tipat、Tang Hanzhi、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SC1008～SC1008
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aca59c
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-volatile compact optical phase shifter based on Ge₂Sb₂Te₅ operating at 2.3 μm (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyatake Yuto、Ho Chong Pei、Pitchappa Prakash、Singh Ranjan、Makino Kotaro、Tominaga Junji、Miyata Noriyuki、Nakano Takashi、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • 雑誌名: Optical Materials Express 巻: 12 ページ: 4582～4582
  • DOI: 10.1364/OME.473987
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ge-on-insulator Platform for Mid-infrared Photonic Integrated Circuits (2022)
  • 著者名/発表者名: Takenaka Mitsuru、Zhao Ziqiang、Ho Chong Pei、Fujigaki Takumi、Piyapatarakul Tipat、Miyatake Yuto、Tang Rui、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 109 ページ: 47～58
  • DOI: 10.1149/10904.0047ecst
  • 国際共著
• [雑誌論文] Numerical analysis of optical phase modulator operating at 2 μm wavelength using graphene/III?V hybrid metal-oxide-semiconductor capacitor (2022)
  • 著者名/発表者名: Piyapatarakul Tipat、Tang Hanzhi、Toprasertpong Kasidit、Takagi Shinichi、Takenaka Mitsuru
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SC1031～SC1031
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4443
  • 査読あり
• [学会発表] Ge2Sb2Te3S2を用いた不揮発性相変化中赤外光位相シフタ (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮武悠人, 牧野孝太郎, 富永淳二, 宮田典幸, 中野隆志, 岡野 誠, トープラサートポン カシディット, 高木信一, 竹中 充
  • 学会等名: 電気学会ナノエレクトロニクス機能化・応用技術調査専門委員会
  • 招待講演
• [学会発表] Ge2Sb2Te3S2を用いた不揮発性相変化中赤外光位相シフタ (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮武悠人, 牧野孝太郎, 富永淳二, 宮田典幸, 中野隆志, 岡野 誠, トープラサートポン カシディット, 高木信一, 竹中 充
  • 学会等名: 電子情報通信学会シリコン材料・デバイス研究会（SDM）
  • 招待講演
• [学会発表] Record-low loss non-volatile mid-infrared PCM optical phase shifter based on Ge2Sb2Te3S2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyatake, K. Makino, J. Tominaga, N. Miyata, T. Nakano, M. Okano, K. Toprasertpong, S. Takagi, M. Takenaka
  • 学会等名: International Electron Devices Meeting (IEDM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of the III-V MOS optical modulator with doped graphene electrode for efficient, high-speed phase modulation (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Piyapatarakul, H. Tang, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • 学会等名: 12th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Ge-on-insulator platform for mid-infrared photonic integrated circuits (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Takenaka, Z. Zhao, T. Piyapatarakul, Y. Miyatake, K. Toprasertpong, and S. Takagi
  • 学会等名: 242th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of III-V MOS optical modulator with transparent doped graphene gate electrode (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Piyapataraku, H. Tang, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] III-V/Si hybrid integration for scalable optical switching and computing (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Takenaka, H. Tang, K. Watanabe, T. Ochiai, T. Akazawa, Y. Miyatake, S. Ohno, K. Sumita, S. Monfray, F. Boeuf, R. Tang, K. Toprasertpong, and S. Takagi
  • 学会等名: International Conference on Photonics in Switching and Computing (PSC2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Compact, low-loss, fabrication-tolerant, and thermally stable 2x2 Si optical coupler designed by CMA-ES (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyatake, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of Compact and Low-loss 2×2 Si Optical Coupler based on CMA-ES (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyatake, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka
  • 学会等名: 12th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2022)
  • 国際学会
• [学会発表] ウェハ接合を用いた光集積回路およびコンピューティング応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹中 充
  • 学会等名: 電子実装工学研究所（IMSI）第3回会員会
  • 招待講演
• [学会発表] 極薄III-V族半導体を用いたSiハイブリッド光集積回路および光コンピューティング応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 竹中充
  • 学会等名: 学振R025産学協力委員会第11回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] CAM-ESに基づく小型低損失2×2カプラの設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮武 悠人, トープラサートポン カシディット, 高木 信一, 竹中 充
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Numerical analysis of III-V MOS optical modulator with graphene transparent electrode for efficient phase modulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Tipat Piyapatarakul, Hanzhi Tang, Kasidit Toprasertpong, Shinichi Takagi, Mitsuru Takenaka
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 竹中研究室Webページ
  • URL: https://sites.google.com/g.ecc.u-tokyo.ac.jp/takenaka-lab/